Kühleffekte bei der hepatischen Mikrowellenablation

Thermoablative Therapien haben sich in den letzten Jahren zu einer wichtigen Alternative in Behandlung von nicht resektablen Lebertumoren etabliert. Das führende Verfahren der sogenannten In-situ-Ablationen war bisher die Radiofrequenzablation. Hier konnten an einem ausgewählten Patientenkollektiv vergleichbare Ergebnisse zur chirurgischen Resektion werden. Allerdings ist die Anwendung der Radiofrequenzablation durch die Tumorgröße und lokale vaskuläre Kühleffekte durch lebereigene Gefäße limitiert. Aus diesem Grund gewann Mikrowellenablation von Lebermetastasen in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. eine größere Eindringtiefe der Mikrowellen in das Lebergewebe können im Vergleich zur Radiofrequenzablation größere Lebertumore abladiert werden. Die Mikrowellenablation soll zudem weniger anfällig für vaskuläre Kühleffekte sein. Letztlich ist jedoch die Bedeutung von vaskulären Kühleffekten bei der hepatischen Mikrowellenablation nicht abschließend geklärt sollte daher in dieser Arbeit näher untersucht werden. Die In-vivo-Analyse von vaskulären Kühleffekten bei In-situ-Ablationen ist komplex. Aus Grund waren standardisierte Ex-vivo-Versuche zur Analyse von vaskulären Kühleffekten bei hepatischen Mikrowellenablation notwendig. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit die makroskopische Auswertung von Mikrowellenablation an frischer Schlachthofleber Hier zeigte sich im Vergleich zur histologischen Aufarbeitung der Ablationen, dass eine rein makroskopische Auswertung von Ex-vivo-Ablationen an frischer Schlachthofleber in Bezug die Ablationsform aussagekräftig ist und daher im nachfolgenden Ex-vivo-Versuche zur Untersuchung von vaskulären Kühleffekten valide sind. Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wurden Kühleffekte bei der Mikrowellenablation in einem standardisierten Ex-vivo-Versuchsaufbau im Ablationszentrum analysiert. Hierzu wurden Kühleffekte durch eine perfundierte Glasröhre innerhalb von Schweinelebern induziert. Hier zeigte sich, dass auch bei der Mikrowellenablation ex vivo mit Kühleffekten gerechnet muss. Die Kühleffekte wurden im Wesentlichen durch den Abstand zwischen der Mikrowellenantenne und des Kühlgefäßes beeinflusst. So traten am Ablationsrand stärkere Kühleffekte als im Ablationszentrum auf. Der Gefäßdurchmesser hatte keinen Einfluss auf Kühleffekt. Im dritten Abschnitt dieser Arbeit wurde der vaskuläre Kühleffekt im dreidimensionalen Raum Rahmen von Ex-vivo-Versuchen an frischer Schlachthofleber untersucht. Auch hier wurde perfundierte Glasröhre zur standardisierten Induktion von Kühleffekten verwendet. zu den Erkenntnissen der vorherigen Arbeit, zeigte sich, dass nicht primär der Abstand zwischen der Mikrowellenantenne zum Gefäß für den Kühleffekt entscheidend war, sondern Kühleffekt abhängig vom Abstand zwischen dem Ablationsmittelpunkt und dem Gefäß war. kam es im Ablationsmittelpunkt zu geringeren Kühleffekten als in der Peripherie der Ablationen. Im vierten Abschnitt dieser Arbeit wurden die vaskulären Kühleffekte in vivo an nativer Schweineleber untersucht. Erwartungsgemäß zeigten sich auch hier vaskuläre Kühleffekte. Kühleffekte waren in vivo ebenfalls am Rande der Ablation stärker ausgeprägt als im Ablationszentrum. So konnte um zentral gelegene Gefäße innerhalb der klinisch relevanten inneren White Zone keine Kühleffekte um Lebergefäße detektiert werden. Insgesamt Portalfelder einen stärkeren Kühleffekt als Lebervenen, wobei der Gefäßdurchmesser keinen Einfluss auf den Kühleffekt hatte. Die Ausdehnung von Mikrowellenablation kann in der Regel nur indirekt mittels Bildgebung kontrolliert werden. Nachdem Mikrowellenablationen häufig CT-gestützt durchgeführt werden, erfolgt eine erste Ablationskontrolle in der Regel ebenfalls mittels CT-Bildgebung. Im fünften Abschnitt dieser Arbeit sollte daher die Darstellung von Mikrowellenablationen im CT mit der entsprechenden histologischen Schnittebene verglichen werden. Dies erfolgte im Rahmen Versuchen an nativer Schweineleber. Hier zeigte sich, dass sich in der CT-Bildgebung nur eine einzelne Ablationszone unmittelbar nach einer Mikrowellenablation demarkiert. Dies im Gegensatz zu den drei histologisch erkennbaren Ablationszonen (White Zone, Red Zone Red Zone 2). Die Ablationszone in der CT-Bildgebung korrelierte am ehesten mit der histologischen Red Zone 2, welche weitgehend aus intakten Zellverbänden bestand. Die relevante innere White Zone, in welcher keine Kühleffekte im vorhergehenden Abschnitt Arbeit nachgewiesen werden konnten, konnte in der CT-Bildgebung nicht dargestellt werden. Somit überschätzte die kontrastmittelverstärkte CT-Bildgebung den Bereich des vollständigen Zelluntergangs (White Zone) nach einer Mikrowellenablation geringfügig. Prinzipiell besteht die Gefahr einer unvollständigen Tumorzellzerstörung am Ablationsrand nach einer Mikrowellenablation. Zusammenfassend ist auch bei der hepatischen Mikrowellenablation mit vaskulären zu rechnen. Diese Kühleffekte sind aus tumortherapeutischer Sicht von entscheidender und müssen daher in die Planung von Mikrowellenablationen, sowie in die Entwicklung von computergestützter Planungssoftware für Mikrowellenablationen einbezogen werden

Exploring Patterns of Dynamic Size Changes of Lesions after Hepatic Microwave Ablation in an In Vivo Porcine Model

Microwave ablation (MWA) is a type of minimally invasive cancer therapy that uses heat to induce necrosis in solid tumours. Inter- and post-ablational size changes can influence the accuracy of control imaging, posing a risk of incomplete ablation. The present study aims to explore post-ablation 3D size dynamics in vivo using computed tomography (CT). Ten MWA datasets obtained in nine healthy pigs were used. Lesions were subdivided along the z-axis with an additional planar subdivision into eight subsections. The volume of the subsections was analysed over different time points, subsequently colour-coded and three-dimensionally visualized. A locally weighted polynomial regression model (LOESS) was applied to describe overall size changes, and Student's t-tests were used to assess statistical significance of size changes. The 3D analysis showed heterogeneous volume changes with multiple small changes at the lesion margins over all time points. The changes were pronounced at the upper and lower lesion edges and characterized by initially eccentric, opposite swelling, followed by shrinkage. In the middle parts of the lesion, we observed less dimensional variations over the different time points. LOESS revealed a hyperbolic pattern for the volumetric changes with an initially significant volume increase of 11.6% (111.6% of the original volume) over the first 32 minutes, followed by a continuous decrease to 96% of the original volume (p < 0.05)

Improved Visualization of the Necrotic Zone after Microwave Ablation Using Computed Tomography Volume Perfusion in an In Vivo Porcine Model

After hepatic microwave ablation, the differentiation between fully necrotic and persistent vital tissue through contrast enhanced CT remains a clinical challenge. Therefore, there is a need to evaluate new imaging modalities, such as CT perfusion (CTP) to improve the visualization of coagulation necrosis. MWA and CTP were prospectively performed in five healthy pigs. After the procedure, the pigs were euthanized, and the livers explanted. Orthogonal histological slices of the ablations were stained with a vital stain, digitalized and the necrotic core was segmented. CTP maps were calculated using a dual-input deconvolution algorithm. The segmented necrotic zones were overlaid on the DICOM images to calculate the accuracy of depiction by CECT/CTP compared to the histological reference standard. A receiver operating characteristic analysis was performed to determine the agreement/true positive rate and disagreement/false discovery rate between CECT/CTP and histology. Standard CECT showed a true positive rate of 81% and a false discovery rate of 52% for display of the coagulation necrosis. Using CTP, delineation of the coagulation necrosis could be improved significantly through the display of hepatic blood volume and hepatic arterial blood flow (p < 0.001). The ratios of true positive rate/false discovery rate were 89%/25% and 90%/50% respectively. Other parameter maps showed an inferior performance compared to CECT

Perivascular vital cells in the ablation center after multibipolar radiofrequency ablation in an in vivo porcine model

Multibipolar radiofrequency ablation (RFA) is an advanced ablation technique for early stage hepatocellular carcinoma and liver metastases. Vessel cooling in multibipolar RFA has not been systematically investigated. The objective of this study was to evaluate the presence of perivascular vital cells within the ablation zone after multibipolar RFA. Multibipolar RFA were performed in domestic pigs in vivo. Three internally cooled bipolar RFA applicators were used simultaneously. Three experimental settings were planned: (1) inter-applicator-distance: 15 mm; (2) inter-applicator-distance: 20 mm; (3) inter-applicator-distance: 20 mm with hepatic inflow occlusion (Pringle maneuver). A vitality staining was used to analyze liver cell vitality around all vessels in the ablation center with a diameter>0.5 mm histologically. 771 vessels were identified. No vital tissue was seen around 423 out of 429 vessels (98.6%) situated within the central white zone. Vital cells could be observed around major hepatic vessels situated adjacent to the ablation center. Vessel diameter (>3.0 mm; p<0.05) and low vessel-to-ablation-center distance (<0.2 mm; p<0.05) were identified as risk factors for incomplete ablation adjacent to hepatic vessels. The vast majority of vessels, which were localized in the clinically relevant white zone, showed no vital perivascular cells, regardless of vessel diameter and vessel type. However, there was a risk of incomplete ablation around major hepatic vessels situated directly within the ablation center. A Pringle maneuver could avoid incomplete ablations

Quantification of the vascular cooling effect of hepatic vessels in multipolar radiofrequency ablation

Einleitung: Die Radiofrequenzablation (RFA) ist als minimalinvasiver Therapieansatz bei Lebertumoren klinisch etabliert. Allerdings limitiert die hohe Lokalrezidivrate in der Nähe von Lebergefäßen aufgrund des vaskulären Kühleffektes die kurative Anwendung. Ziel dieser Arbeit war es, den Kühleffekt bei der multipolaren RFA ex vivo systematisch zu evaluieren. Material und Methoden: Ex vivo wurden RFA an Schweinelebern mit drei bipolaren, intern gekühlten Applikatoren im multipolaren Ablationsmodus und einem Applikatorabstand von 20 mm durchgeführt. Diese Ablationsparameter wurden in Vorversuchen speziell für die verwendeten Applikatoren erarbeitet. Zur Simulation eines perfundierten Gefäßes (Hauptversuch) wurde eine Glasröhre (3 mm Innendurchmesser, Flussvolumen 100 ml/min H2O) im geometrischen Mittelpunkt der Applikatoren, sowie in 2,5-mm-Schritten exzentrisch, bis zu einem Abstand von 10 mm, platziert. Als Leerversuch wurden RFA mit zentral platziertem Kühlgefäß ohne Kühlfluss durchgeführt. Versuchsendpunkt war jeweils eine zugeführte Gesamtenergie von 40 kJ. Die Thermoläsionen wurden entlang der Querschnittsfläche auf Höhe des größten Läsionsdurchmessers, orthogonal zu den Applikatoren, digital planimetrisch vermessen. Ergebnisse: Es wurden in den Hauptversuchen 36 RFA durchgeführt. Im Unterschied zum Leerversuch konnte in allen gekühlten Versuchen ein Saum makroskopisch unveränderten Gewebes unmittelbar um das Gefäß beobachtet werden (Kühlfläche in einem 3 mm-Sektor um das Gefäß: 60-70 % vs. 0 % in Leerversuchen; p < 0,01). Die Applikatoren- Gefäß-Anordnung wirkte sich auf die Geometrie, jedoch kaum auf die Fläche (859,0 – 1072,4 mm2 vs. 958,2 mm2; p > 0,05) des denaturierten Bereichs aus. Für zentral platzierte Kühlgefäße wurden ringförmig geschlossene Läsionen erzielt, während mit zunehmend exzentrisch ausgelagertem Kühlgefäß die Flächen in Gefäßnähe aufbrachen und nierenförmig erschienen. Im Randbereich wurde eine Flächenzunahme (bis zu 20,9 %; p < 0,01) gegenüber dem Leerversuch gemessen. Schlussfolgerung: Lebergefäße mit kontinuierlichem Blutfluss führen unabhängig von der Applikatorposition bei der multipolaren RFA zu einem signifikanten perivaskulären Kühleffekt. Die vollständige Ablation eines Tumors kann hierdurch verhindert werden. Eine temporäre Gefäßflussunterbrechung sollte deshalb bei Tumoren in Gefäßnähe in Betracht gezogen werden.Introduction: Radiofrequency ablation (RFA) is a clinically established minimally invasive therapy option for liver tumors. However, a high local recurrence rate due to the vascular cooling effect of nearby liver vessels limits its curative application. The aim of this study was to evaluate the cooling effect of different vessel positions in multipolar radiofrequency ablation. Material and Methods: Radiofrequency ablation was performed in porcine livers ex vivo with three bipolar, internally cooled applicators, using a multipolar ablation mode and an applicator distance of 20 mm. In order to simulate a perfused vessel, a glass tube (3 mm inner diameter, 100 ml/min flow volume, H20) was placed in the geometric applicator center, as well as eccentric in 2.5-mm-steps up to a distance of 10 mm to the applicator center. Additionally, a dry run without flow was performed with a centrally placed glass tube. The endpoint of each experiment was an energy application of 40 kJ. Thermolesions were digitally and planimetrically measured along the cross- section area at the level of the largest lesion diameter, orthogonally to the applicators. Results: 36 RFA with perfusion were performed. In contrast to the dry run, a macroscopic margin of unchanged tissue, located directly around the vessel was found in all experiments with perfusion (area in a 3 mm-sector around the vessel: 60 – 70 % vs. 0 % in the dry run; p < 0.01). The applicator-vessel-configuration had a strong effect on lesion geometry, but not on the thermally denatured area (859 – 1072 mm2 vs. 958 mm2; p > 0.05). Circular and closed lesions were obtained around centrally placed cooling vessels. Eccentrically placed vessels resulted in an opening of the lesion area close to the vessel with kidney-shaped lesions. A lesion area increase was measured at the lesion border in comparison to the dry run (up to 20.9 %; p < 0.01). Conclusion: Simulated liver vessels with a continuous blood flow cause a significant perivascular cooling effect in radiofrequency ablation, independent of applicator positioning. This can lead to incomplete tumor ablation in clinical practice. Open-surgical radiofrequency ablation with temporary blood flow occlusion can avoid cooling effects and should be considered for tumors close to intrahepatic vessels

Influence of interapplicator distance on multibipolar radiofrequency ablation during physiological and interrupted liver perfusion in an in vivo porcine model

Radiofrequency ablation (RFA) is a curative treatment option for early stage hepatocellular carcinoma (HCC). Vascular inflow occlusion to the liver (Pringle manoeuvre) and multibipolar RFA (mbRFA) represent possibilities to generate large ablations. This study evaluated the impact of different interapplicator distances and a Pringle manoeuvre on ablation area and geometry of mbRFA. 24 mbRFA were planned in porcine livers in vivo. Test series with continuous blood flow had an interapplicator distance of 20 mm and 15 mm, respectively. For a Pringle manoeuvre, interapplicator distance was predefined at 20 mm. After liver dissection, ablation area and geometry were analysed macroscopically and histologically. Confluent and homogenous ablations could be achieved with a Pringle manoeuvre and an interapplicator distance of 15 mm with sustained hepatic blood flow. Ablation geometry was inhomogeneous with an applicator distance of 20 mm with physiological liver perfusion. A Pringle manoeuvre led to a fourfold increase in ablation area in comparison to sustained hepatic blood flow (p < 0.001). Interapplicator distance affects ablation geometry of mbRFA. Strict adherence to the planned applicator distance is advisable under continuous blood flow. The application of a Pringle manoeuvre should be considered when compliance with the interapplicator distance cannot be guaranteed

Intermittent Pringle maneuver may be beneficial for radiofrequency ablations in situations with tumor-vessel proximity

Radiofrequency ablation (RFA) represents a treatment option for non-resectable liver malignancies. Larger ablations can be achieved with a temporary hepatic inflow occlusion (Pringle maneuver – PM). However, a PM can induce dehydration and carbonization of the target tissue. The objective of this study was to evaluate the impact of an intermittent PM on the ablation size

Evaluation of Different Registration Algorithms to Reduce Motion Artifacts in CT-Thermography (CTT)

Computed tomography (CT)-based Thermography (CTT) is currently being investigated as a non-invasive temperature monitoring method during ablation procedures. Since multiple CT scans with defined time intervals were acquired during this procedure, interscan motion artifacts can occur between the images, so registration is required. The aim of this study was to investigate different registration algorithms and their combinations for minimizing inter-scan motion artifacts during thermal ablation. Four CTT datasets were acquired using microwave ablation (MWA) of normal liver tissue performed in an in vivo porcine model. During each ablation, spectral CT volume scans were sequentially acquired. Based on initial reconstructions, rigid or elastic registration, or a combination of these, were carried out and rated by 15 radiologists. Friedman’s test was used to compare rating results in reader assessments and revealed significant differences for the ablation probe movement rating only (p = 0.006; range, 5.3–6.6 points). Regarding this parameter, readers assessed rigid registration as inferior to other registrations. Quantitative analysis of ablation probe movement yielded a significantly decreased distance for combined registration as compared with unregistered data. In this study, registration was found to have the greatest influence on ablation probe movement, with connected registration being superior to only one registration process